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Crystal chemical studies of incommensurately modulated mullite 

 

 

Summary

The crystal structure of mullite (2:1-mullite, i.e. 2Al2O3 . SiO2, Al4.8Si1.2O9.6, Z=1) is characterized by chains of edge-sharing AlO6 octahedra linked by double chains of (Al,Si)O4 tetrahedra affected by vacancies on the bridging oxygen position. Angel et al. 1991 (Amer. Mineral. 76, 332-342) studied the incommensurately modulated structure with the conclusion that the cations and oxygen vacancies are partially ordered in mullite. However, they used a mullite single crystal of low quality for their studies, and thus were not able to provide the information required to fully understand the real structure of mullite. It is the aim of this study to gain further understanding by crystal structure analysis in higher dimensional space based on neutron diffraction data of Bragg and super-structure reflections. A clear inclusion-free Czochralski-grown mullite single crystal is available for that purpose. The experimental works will be accompanied by oxygen vacancy modeling calculations. The findings of the ordering patterns will be correlated with the lattice parameters and properties of mullite like elasticity and thermal expansion.

Zusammenfassung

Das charakteristische Merkmal der Kristallstruktur von Mullit (2:1-Mullite, 2Al2O3 . SiO2, Al4.8Si1.2O9.6, Z=1) wird durch die Ketten kantenverknüpfter AlO6 Oktaeder bestimmt, die durch Doppelketten von (Al,Si)O4 Tetraedern verknüpft sind, wobei an der Position des verbrückenden Sauerstoffatoms Leerstellen auftreten. Angel et al. 1991 (Amer. Mineral. 76, 332-342) haben die inkommensurabel modulierte Struktur untersucht und herausgefunden, dass die Kationen und Leerstellen in Mullit teilweise geordnet sind. Die schlechte Qualität des Kristalls erlaubte aber keine genaueren Aussagen zur Realstruktur des Mullits. Es ist das Ziel des vorliegenden Antrags, ein genaueres Verständnis der inkommensurablen Struktur des Mullits im höherdimensionalen Raum anhand von Bragg- und Überstrukturreflexen mittels Neutronenbeugung zu erlangen. Für diese Untersuchungen steht ein nach der Czochralski Methode gezüchteter Kristall zur Verfügung. Die Ergebnisse der Kristallstrukturanalyse sollen mit Rechnungen zur Modellierung der Sauerstoffleerstellenverteilung ergänzt werden. Weiterhin soll das Ordnungsschema der Kationen und Leerstellen mit den Gitterparametern und physikalischen Eigenschaften des Mullits, wie Elastizität und thermische Dehnung, korreliert werden.  

 

Publikationen:

Schneider, Hartmut, Fischer, Reinhard X. & Schreuer, J., 2015. Mullite: Crystal Structure and Related Properties. Journal of the American Ceramic Society, 98(10): 2948–2967, http://dx.doi.org/10.1111/jace.13817. Available online since 20.9.2015. 

Fischer, Reinhard X., Tikhonova, Valeria, Birkenstock, Johannes, Fischer, L.A., Herrmann, K., Mengel, K. & Schneider, Hartmut, 2015. A new mineral from the Bellerberg, Eifel, Germany, intermediate between mullite and sillimanite. American Mineralogist, 100(7): 1493-1501, http://dx.doi.org/10.2138/am-2015-4966. Abstract, Paper download.

 

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